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Auto-Tune für Gravitationswellendetektoren
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
astronews.com
13. Mai 2026
Die LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration hat erstmals erfolgreich
eine neue Methode getestet, die die Empfindlichkeit ihres internationalen
Netzwerks von Gravitationswellen-Detektoren verbessert. Das Verfahren ähnelt der
in der Musikproduktion verwendeten automatischen Tonhöhenkorrektur Auto-Tune und
erlaubt das Aufspüren falsch kalibrierter Laserinstrumente.
Künstlerische Darstellung von astrophysikalischer
Kalibrierung.
Foto: Carl Knox, OzGrav /
Swinburne [Großansicht] |
Das internationale Netzwerk der Gravitationswellen-Detektoren der LIGO-Virgo-KAGRA
(LVK)-Kollaboration besteht aus fünf kilometergroßen Instrumenten. Alle lassen
ultrareines Laserlicht mehrfach zwischen Spiegeln hin- und herlaufen. Damit
messen sie die winzigen Längenänderungen – weniger als ein Milliardstel eines
Milliardstels eines Meters –, die vorbeiziehende Gravitationswellen verursachen.
Um solche winzigen Längenänderungen nachweisen zu können, müssen die Detektoren
sorgfältig in Echtzeit kalibriert werden. Entscheidend für diese Kalibrierung
ist ein präzises Modell davon, wie der Detektor auf Gravitationswellen reagiert.
Eine nicht optimale Kalibrierung des Detektors kann die Qualität
beeinträchtigen, mit der das Signal empfangen wird. In der Folge kann dies auch
die Interpretation des kosmischen Phänomens verfälschen, das das Signal erzeugt
hat.
Nun berichtet die Kollaboration über die erste erfolgreiche Demonstration
einer neuen Methode mit dem Namen "astrophysikalische Kalibrierung". Sie kann
eine nicht optimale Detektor-Kalibrierung nachträglich – nach Abschluss der
Messung – finden und korrigieren. Das ist wie die automatische Tonhöhenkorrektur
in der Musikproduktion, die auch als Auto-Tune bekannt ist. Dabei werden
Abweichungen der Tonhöhe eines Gesangs nach der Aufnahme eines Liedes
korrigiert.
Wenn sich ein Gravitationswellen-Signal deutlich vom Hintergrundrauschen des
Detektors abhebt, dann lässt es sich laut und deutlich beobachten. In diesem
Fall können die Forschenden das Signal mit Vorhersagen der Allgemeinen
Relativitätstheorie und mit Beobachtungen desselben Signals in anderen gut
kalibrierten Detektoren vergleichen. So können sie "verstimmte" Messungen eines
nicht optimal kalibrierten Detektors nachträglich korrigieren. Das LVK-Team
nutze Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie, um zu ermitteln, wie das
Signal klingen sollte – so wie Musikerinnen und Musiker eine Partitur verwenden,
um die Tonhöhe eines Gesangs zu bestimmen.
In einer jetzt veröffentlichten Studie zeigen die LVK-Forschenden, wie sie
diese Technik auf zwei besonders laute Gravitationswellen-Signale angewendet
haben. Diese Signale tragen die Bezeichnungen GW240925 bzw. GW250207. Die beiden
Signale wurden am 25. September 2024 bzw. am 7. Februar 2025 beobachtet. Zu
beiden Zeitpunkten war der LIGO-Detektor in Hanford nicht optimal kalibriert.
Das erschwerte die Interpretation seiner Daten erheblich. Durch den Vergleich
der LIGO-Hanford-Daten mit theoretischen Vorhersagen und Beobachtungen derselben
Signale durch den LIGO-Detektor in Livingston und den Virgo-Detektor konnte das
Team genau bestimmen, wie das "verstimmte" LIGO-Hanford-Instrument die erfassten
Daten verzerrte. Das Signal GW240925 diente als Nagelprobe für die neue Methode.
Die astrophysikalische Kalibrierung bestand diesen Test mit Bravour. Sie
bestätigte die bekannten Abweichungen der Kalibrierung, die auch vor Ort bei
LIGO Hanford gemessen worden waren. Im Fall von GW250207 war es jedoch
unerlässlich, auf die astrophysikalische Kalibrierung zurückzugreifen, um die
Daten bestmöglich zu nutzen. Denn für den LIGO-Hanford-Detektor gab es keine
zuverlässigen Messungen der Kalibrierung vor Ort. Mithilfe der astrophysikalisch
korrigierten Kalibrierung des LIGO-Hanford-Detektors konnten die LVK-Forschenden
die Abweichungen der Kalibrierung berücksichtigen. So vermieden sie eine
verfälschte Interpretation des astrophysikalischen Ursprungs des Signals.
In ihrer Studie berichtet das LVK-Team, dass GW240925 von einer Verschmelzung
zweier Schwarzer Löcher stammte. Diese hatten die 9- bzw. 7-fache Masse unserer
Sonne. Ihre Gravitationswellen durchliefen das All für etwa 1,0 Milliarden
Jahre, bevor sie die LVK-Detektoren erreichten. GW250207 wurde durch die
Verschmelzung zweier massereicherer Schwarzer Löcher verursacht, die die 35-
bzw. 31-fache der Masse unserer Sonne aufwiesen. Die Wellen dieser zweiten
Verschmelzung durchliefen das Universum etwa 570 Millionen Jahre lang, bevor sie
die Erde erreichten.
Forschende der Abteilung für Astrophysikalische und Kosmologische
Relativitätstheorie am Albert-Einstein-Institut (AEI) im Potsdam Science Park
zeigten, dass es unerlässlich ist, die Detektor-Kalibrierung zu berücksichtigen,
wenn man die Allgemeine Relativitätstheorie mithilfe von
Gravitationswellen-Signalen überprüfen möchte. "Wir haben festgestellt, dass die
Vernachlässigung einer nicht optimalen Detektor-Kalibrierung Abweichungen von
Einsteins Theorie möglicherweise nachahmen oder verbergen kann. Wir versuchen,
diese Abweichungen in verschiedenen Abschnitten der Signale von Verschmelzungen
Schwarzer Löcher zu beobachten", sagt Lorenzo Pompili, ehemaliges Mitglied der
Abteilung und jetzt Research Fellow an der University of Nottingham.
"Wir haben das Signal GW250207 genutzt, um einige der bislang strengsten
Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie durchzuführen", betont Elise Sänger,
Doktorandin in der Abteilung. "Wir hatten Glück mit GW250207, weil es so klar
und deutlich beobachtet wurde und uns das Universum ein Signal beschert hat, das
für diese Tests sehr gut geeignet war."
"Dies ist die erste LVK-Veröffentlichung, die ein verbessertes
Wellenformmodell verwendet, das wir am AEI entwickelt haben. Unsere
Verbesserungen sind wichtig, um immer genauere Vorhersagen der
Gravitationswellen-Signale zu erhalten, ohne die wir diese Untersuchungen nicht
durchführen können", sagt Héctor Estellés Estrella, ehemaliger Postdoktorand der
Abteilung und jetzt Postdoctoral Fellow am Institut für Weltraumwissenschaften
in Barcelona. "Auch die nächste Version des Gravitational-Wave Transient Catalog,
die in Kürze veröffentlicht werden wird, wird dieses Wellenformmodell nutzen."
"Die Phase, in der das Schwarze Loch unmittelbar nach der Verschmelzung
seinen Endzustand einnimmt, bezeichnen wir als 'Ringdown'. Dabei sendet das
Schwarze Loch ein charakteristisches Spektrum von Gravitationswellen-Tönen aus",
erklärt Elisa Maggio, ehemalige Postdoktorandin am AEI Potsdam und heute
Forscherin am Italienischen Institut für Kernphysik. "GW250207 war erst das
zweite Signal überhaupt, bei dem wir einen der höheren Töne eingrenzen und
dessen Eigenschaften messen konnten."
Die Studie wurde jetzt in den Physical Review Letters veröffentlicht.
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